1 繩纜發(fā)展的4個(gè)階段

人類制作和使用繩纜（繩索、繩子）已有幾千年甚至更長(zhǎng)的歷史，從繩纜發(fā)展的幾個(gè)歷史階段可以看出，是繩纜原材料的革新引發(fā)了繩纜的換代。依據(jù)原材料和性能可將繩纜的發(fā)展分為下列4個(gè)階段：

從遠(yuǎn)古到19世紀(jì)，人類一直使用天然纖維（如麻、劍麻）和天然材料（如動(dòng)物皮革）制作繩纜，可將其通稱為第1 代繩纜。以1834年德國(guó)采礦工程師W A J Albert發(fā)明的礦用鋼絲繩為代表，開(kāi)啟了第2 代鋼絲繩纜在工業(yè)和工程提升、牽引、張緊等操作中的廣泛應(yīng)用、逐漸取代了天然材料纖維繩纜，主宰了90%以上的市場(chǎng)份額。1930年代誕生了人工合成的高分子材料-尼龍，標(biāo)志著第3代繩纜材料和繩纜產(chǎn)品的到來(lái)。雖然尼龍和聚酯纖維的強(qiáng)度比鋼絲低，導(dǎo)致相同直徑的尼龍和聚酯化纖繩的破斷載荷（強(qiáng)力）比鋼絲繩低，但這兩種材料的比強(qiáng)度都比鋼絲高，因此尼龍和聚酯化纖繩的強(qiáng)度/質(zhì)量比高于鋼絲繩。這也是普通用途化纖繩纜與鋼絲繩纜相比具有的最重要的優(yōu)勢(shì)之一。當(dāng)然化纖材料解決了鋼鐵材料在大氣和水中的腐蝕的問(wèn)題，因此這些普通性能化纖繩在需要質(zhì)量輕和耐腐蝕的應(yīng)用場(chǎng)合比如漁業(yè)用繩網(wǎng)有很大優(yōu)勢(shì)，替代了鋼絲和天然纖維繩纜。尼龍和聚酯等化纖繩纜延伸率比鋼絲繩高幾倍到幾十倍，在需要緩沖的場(chǎng)合如娛樂(lè)設(shè)施中應(yīng)用廣泛。

1970～1980年代，芳綸、超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維等高性能纖維的商業(yè)化，翻開(kāi)了化纖繩纜新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的新篇章，即第4 代繩纜—高性能化纖繩纜。人造纖維第1次在強(qiáng)度（單位截面）上超過(guò)鋼絲，由于其密度只有鋼的幾分之一，因此這些高性能纖維的比強(qiáng)度比鋼絲高出一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。也就是說(shuō)，纖維第1次在相同尺寸（直徑）和相同質(zhì)量（線密度）兩個(gè)衡量指標(biāo)都超過(guò)了鋼絲，纖維繩纜第1次在相同直徑和相同線密度兩個(gè)衡量指標(biāo)都趕上和超過(guò)了鋼絲繩。高性能化纖繩纜不僅開(kāi)始替代鋼絲繩，而且還突破了由于鋼絲繩自重造成的提升高度和深度的極限、拓展了繩纜應(yīng)用的新的范圍，比如采用高性能纖維繩后，海上作業(yè)（如下放和回收海底鉆探設(shè)備）可在更深的海水中進(jìn)行。繩纜制造業(yè)可使用的工業(yè)級(jí)高性能纖維主要有超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維、芳綸、聚芳脂纖維和PBO纖維，其中超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維的綜合性能相對(duì)較好，因此應(yīng)用最廣泛和用量較大，是最重要的制繩用高性能纖維；PBO纖維強(qiáng)度相對(duì)較高，比強(qiáng)度也略高于超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維。

具體與鋼絲繩相比，高性能纖維繩的主要優(yōu)勢(shì)包括：

①高強(qiáng)度低密度、強(qiáng)度/質(zhì)量比比鋼絲繩高很多，超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維的密度是0.97 g/cm3，在水中漂浮，因此其纖維繩的斷裂長(zhǎng)度無(wú)限長(zhǎng)（也叫支撐長(zhǎng)度，即垂直懸掛的材料或制件由于自身質(zhì)量造成的重力破斷時(shí)的Max長(zhǎng)度），理論上講在海洋工程作業(yè)中的水深沒(méi)有極限；

②即使在空氣中，相同強(qiáng)度的高性能纖維繩的質(zhì)量也是鋼絲繩的幾分之一，這樣與繩纜配套的其它系統(tǒng)和部件的質(zhì)量也可降低，對(duì)海洋工程作業(yè)而言，作業(yè)船的有效載荷提高，能耗降低；

③高性能化纖繩纜在空氣、海水和大多數(shù)介質(zhì)中不腐蝕，而鋼絲繩的腐蝕一直是其失效的主要原因之一；為減輕腐蝕和磨損鋼絲繩大多涂敷潤(rùn)滑油脂，造成作業(yè)環(huán)境污染；

④高性能纖維繩的疲勞性能高于鋼絲繩，使用壽命更長(zhǎng)；

⑤纖維繩便于操作，減少了操作造成的工傷事故、操作費(fèi)用和時(shí)間。高性能化纖繩纜將在人類探索海洋、地藏、極地以及太空的活動(dòng)中起到重要作用。

2 材料的強(qiáng)度極限

如上所述，制繩材料的強(qiáng)度不斷提高，從更廣泛的意義上，人們開(kāi)發(fā)的材料強(qiáng)度的不斷提高，但各種材料的強(qiáng)度理論上都有其極限。

拉伸強(qiáng)度是樣品或制件斷裂時(shí)的應(yīng)力。以理想晶體材料為例，材料強(qiáng)度和許多其它性質(zhì)由組成材料物質(zhì)的原子之間的鍵類型和強(qiáng)度決定。理解兩個(gè)原子之間的相互作用和鍵的簡(jiǎn)單辦法之一是剛球和彈簧模型。因此，如果Max應(yīng)力下的應(yīng)變?yōu)?.25%，則Max應(yīng)力估計(jì)為σ ≈E /8，也就是說(shuō)，在理想兩維晶體的假設(shè)拉伸試驗(yàn)中，晶體材料從中間斷開(kāi)，這一晶體材料的強(qiáng)度極限可以用上面的公式估算。不同學(xué)者的理論模型提供了極限強(qiáng)度和拉伸彈性模量之間關(guān)系的不同結(jié)果。為了簡(jiǎn)化討論，我們可以使用：σ max≈E /10。

對(duì)于許多材料或部件來(lái)說(shuō)彈性模量值很容易測(cè)量獲得以估算理論極限強(qiáng)度。如果粗略認(rèn)為鋼絲繩生產(chǎn)中大量使用鋼絲的平均拉伸強(qiáng)度是2 000 MPa的話，其強(qiáng)度僅約為理論強(qiáng)度的10%，超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維的強(qiáng)度與其分子鏈上C-C鍵強(qiáng)度的比例也是如此。

后續(xù)詳見(jiàn)纖維材料強(qiáng)度和失效機(jī)理及其繩纜發(fā)展趨勢(shì)（二）

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